CC BY
9
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.PRIL.57-59 УДК 001.891.572
В. Г. Николаев, Е. В. Сергиянскй, А. А. Паливода
Апатитский филиал Мурманского арктического государственного университета
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ
ДЛИНЫ ПОГЛОЩАЮЩЕГО СЛОЯ АТОМОВ В ГРАФИТОВОМ АТОМИЗАТОРЕ
Аннотация
В работе с помощью программного комплекса Ansys-Fluent было проведено моделирование графитовой печи HGA-500 фирмы PerkinElmer. Изучено распределение температуры вдоль графитового атомизатора, показано, что эффективная длина поглощающего слоя атомов отличается от геометрической, что приводит к погрешности теоретического расчета характеристической массы вещества.
Ключевые слова:
графитовая печь, математическая модель, характеристическая масса, длина поглощающего слоя.
V. G. Nikolaev, E. V. Sergiyanskiy, A. A. Palivoda
Apatity Branch of Murmansk Arctic State University
THEORETICAL CALCULATION OF THE TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE LENGTH OF THE ABSORBING LAYER OF ATOMS IN A GRAPHITE ATOMIZER
Abstract
Using the software complex Ansys-Fluent a simulation of the Perkin Elmer's graphite furnace HGA-500 was carried out. The temperature distribution along the graphical atomizer was studied, it was shown that the effective length of the absorbing layer of atoms differs from the geometrical one, which leads to an error in the theoretical calculation of the characteristic mass of the substance.
Keywords:
graphite furnace, mathematical model, characteristic mass, length of absorbing layer.
В настоящее время во многих аналитических лабораториях мира применяют атомно-абсорбционные спектрометры с графитовыми атомизаторами, обладающими высокой чувствительностью, селективностью и быстротой определения. В работе Б. В. Львова [11 была проделана попытка рассчитать, на основе фундаментальных констант вещества, теоретическое значение характеристической массы элемента и сравнить полученный результат с экспериментальным значением.
В настоящей работе представлена математическая модель графитового атомизатора,с помощью которой изучалось поле распределения температуры при различных токах, протекающих через атомизатор. На основе температурного распределения была получена эффективная длина поглощающего слоя атомного пара в графитовой печи.
Для расчета характеристической массы вещества использовался метод «температурной печи с платформой» — (STPF), предложенный впервые Уолтером Славиным и Борисом Львовым. Этот метод использует быстрый нагрев атомизатора, остановку потока газа внутри атомизатора, использование пирографитовой платформы и применение Зееменовского корректора неселективного поглощения [2, 3].
Теоретический расчет характеристической массы элемента, то есть такой массы вещества, которая при атомизации в печи соответствует эквивалентному сигналу поглощения в 1 %.
Расчет характеристической массы производится по формуле, приведенной в работе Г21, которая включает фундаментальные константы вещества, а также учитывает геометрические размеры атомизатора:
т0 = 5.08 х 10-13 х
MDAVd
х
Н(а,ш)у6/ дехр( Е/кТ) ¡2'
Х ,2,
Z(T)
где M — молярная масса элемента (г/моль); D — коэффициент диффузии атомов в аргоне (см2/с); vD — доплеровская ширина линии (см-1); Н(а, ш) — интеграл Фойхта для точки контура абсорбционной линии, удаленной от ее центра на величину ш — 0,72 а, где а — параметр Фойхта; у — коэффициент, учитывающий сверхтонкую структуру линии и доплеровскую ширину линии в источнике света; f — сила осциллятора; Z (T) — статистическая сумма; g и E — статистический вес и энергия нижнего уровня линии; г — радиус трубчатой печи; l — длина поглощающего слоя трубчатой печи.
Используемая модель в программном комплексе Ansys -Fluent состоит из следующих компонентов (рис. 1).
Рис. 1. Компоненты моделирования
С помощью программы определена математическая модель печи и атомизатора в сборе, в которой происходит атомизация вещества (рис. 2, 3).
Рис. 2. Графитовая печь
Рис. 3. Графитовая печь с атомизатором в сборе
При дальнейшем моделировании и подаче напряжения на электроды было получено следующее распределение температур (рис. 4). В расчетах учитывались коэффициенты теплопроводности, термического сопротивления графита, параметры аргона, тепловые потери через стенки и электроды.
Рис. 4. Распределение температуры вдоль атомизатора
Распределение температуры нагрева графитовой печи для 2700 К показано на рисунке 4, где видно, что вблизи электрода, температура резко падает, в итоге эффективная длина поглощающего слоя не равняется длине графитовой печи 28 мм, а равна 26 мм. При уменьшении температуры до 2500 К эффективная длина уменьшается до 25,5 мм. Таким образом, полученные данные, подставленные в приведенную выше формулу, приведут к небольшому уточнению теоретического значения характеристической массы. Так, например, для Al в работе [1] расчетное значение характеристической массы было 8,1 пг, а стало 9,8 пг при экспериментальном значении 11,8 пг. Отношение расчетной к экспериментальной характеристической массе увеличилось с 0,69 до 0,83, то есть приблизило теоретическое значение к экспериментальному.
Литература
1. Theoretical Calculation of the Characteristic Mass in Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry / B. V. L'vov et al. // Spectrochimica Acta, 1986.
2. Львов Б. В. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М., 1966. 392 с.
3. L'vov B. V. A Continuum Source vs. Line Source on the Way Toward Absolute Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry // Spectrochimica Acta. Part B. 54. 1999.
Сведения об авторах
Николаев Виктор Григорьевич,
студент
Апатитский филиал Мурманского арктического государственного университета, e-mail: nikolaev@arcticsu.ru
Сергиянский Евгений Васильевич,
студент
Апатитский филиал Мурманского арктического государственного университета
Паливода Анита Александровна,
студентка
Апатитский филиал Мурманского арктического государственного университета
Nikolayev Viktor Grigor'yevich,
Student
Apatity Branch of Murmansk Arctic State University, e-mail.ru: e-mail: nikolaev@arcticsu.ru
Sergiyanskiy Yevgeniy Vasil'yevich,
Student
Apatity Branch of Murmansk Arctic State University
Palivoda Anita Aleksandrovna
Student
Apatity Branch of Murmansk Arctic State University
